JP3060245B2 - Endoscope illumination optical system - Google Patents

Endoscope illumination optical system

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JP3060245B2
JP3060245B2 JP3035262A JP3526291A JP3060245B2 JP 3060245 B2 JP3060245 B2 JP 3060245B2 JP 3035262 A JP3035262 A JP 3035262A JP 3526291 A JP3526291 A JP 3526291A JP 3060245 B2 JP3060245 B2 JP 3060245B2
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light guide
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、内視鏡用照明光学系に
関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an illumination optical system for an endoscope.

【0002】[0002]

【従来技術】一般の内視鏡の照明光学系は、ライトガイ
ドの射出端面の前に、ライトガイド側に凹面を有する負
レンズを設けたもので、ライトガイドからの射出光をこ
の負レンズで拡げ、観察光学系の視野全体を照明するよ
うにしている。このような構成の照明光学系は、レンズ
の凹面で屈折した光がそのレンズの側面に当って乱発射
し消失するために視野周辺部への配光が不十分になる欠
点を有している。
2. Description of the Related Art An illumination optical system of a general endoscope is provided with a negative lens having a concave surface on the light guide side in front of an exit end face of the light guide. It expands to illuminate the entire field of view of the observation optical system. The illumination optical system having such a configuration has a drawback that light refracted by the concave surface of the lens hits the side surface of the lens, emits light randomly, and disappears. .

【0003】この欠点を解決するために、実開昭57−
17071号公報に記載された照明光学系は、負レンズ
の凹面に、形状を中心部が球面であってその外側を円錐
面にし、ライトガイドから射出する光線のうち光線高の
高い光線の屈折角を小さくして、光がレンズの側面に当
って消失するのを防止している。しかし、球面と円錐面
の組合わせという限られた形状であるため、配光を自由
にコントロールできず、組合わせる光源によっては、照
明むらを有する。
In order to solve this disadvantage, Japanese Utility Model Application Laid-Open No.
The illumination optical system described in Japanese Patent No. 17071 discloses a concave lens of a negative lens, a central portion having a spherical shape and a conical surface outside the concave portion, and a refraction angle of a ray having a high ray height among rays emitted from a light guide. Is reduced to prevent light from hitting the side of the lens and disappearing. However, because of the limited shape of the combination of the spherical surface and the conical surface, the light distribution cannot be freely controlled, and some light sources to be combined have uneven illumination.

【0004】更に、配光を改善することを目的とした照
明光学系として、特開昭63−239415号公報に開
示された照明光学系や、特開昭64−3616号公報に
記載された照明光学系が知られている。
Further, as an illumination optical system for improving light distribution, an illumination optical system disclosed in JP-A-63-394415 and an illumination optical system disclosed in JP-A-64-3616 are disclosed. Optical systems are known.

【0005】これらの照明光学系は、前記の実願昭57
−17071号公報に記載された照明光学系よりも複雑
な形状の非球面を用いてライトガイドからの射出光の光
線高に応じた屈折角を適正に設定することによって視野
全体の配光を改善したものである。
[0005] These illumination optical systems are described in Japanese Utility Model Application Publication No.
Improving the light distribution of the entire field of view by appropriately setting the refraction angle according to the ray height of the light emitted from the light guide using an aspherical surface having a more complicated shape than the illumination optical system described in -17071 It was done.

【0006】そのうちの特開昭64−3616号公報の
光学系は、図16に示す構成を有しており、その配光は
図17に示す通りである。この図において横軸は、ライ
トガイドから光軸に平行に射出する光の光線高、縦軸は
負レンズで屈折後の光線と光軸との間の角度である。以
下この図のような光線高hと屈折角Aとの関係を示す図
をh−A特性図と呼ぶことにする。
The optical system disclosed in JP-A-64-3616 has the configuration shown in FIG. 16, and the light distribution is as shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents the light beam height of light emitted from the light guide in parallel to the optical axis, and the vertical axis represents the angle between the light beam refracted by the negative lens and the optical axis. Hereinafter, a diagram showing the relationship between the ray height h and the refraction angle A as in this diagram will be referred to as an hA characteristic diagram.

【0007】上記の図からわかるように、この従来例
は、所定の値以上の光線高では、光線高の増加と共に屈
折角が減少するようにし、しかも減少の程度を適当に定
めることにより良好な配光を実現している。
[0007] As can be seen from the above figure, in this conventional example, when the ray height is a predetermined value or more, the refraction angle is reduced with an increase in the ray height, and the degree of the decrease is appropriately determined. Light distribution is realized.

【0008】しかし、このような方法によっても充分な
配光が得られるのは、画角120°程度までであり、更
に超広角になると周辺光量が十分でなく、また照明むら
が発生しやすいという欠点を有している。
However, a sufficient light distribution can be obtained even by such a method up to an angle of view of about 120 °, and when the angle of view is very wide, the peripheral light quantity is not sufficient, and illumination unevenness tends to occur. Has disadvantages.

【0009】この欠点を解消する手段として、負レンズ
の側面で光線が乱反射しないようにすることが考えられ
る。図18は、上記の乱反射の防止のための構成を示す
図である。
As a means for solving this drawback, it is conceivable to prevent light rays from being irregularly reflected on the side surface of the negative lens. FIG. 18 is a diagram showing a configuration for preventing the above-mentioned irregular reflection.

【0010】この図18の光学系は、ライトガイド1の
前におかれた負レンズが単ファイバー2からなっている
ので、光線高の高い光線が凹面で屈折されレンズの側面
に当っても、単ファイバー2のコア3とクラッド4との
境界面で全反射し反対側の視野周辺に向かう。そのため
光線高と共に屈折角を大きくすることができ、視野周辺
まで光を届かせることができる。
In the optical system shown in FIG. 18, since the negative lens placed in front of the light guide 1 is made of a single fiber 2, even if a ray having a high ray height is refracted by a concave surface and hits the side of the lens, The light is totally reflected at the boundary surface between the core 3 and the clad 4 of the single fiber 2 and travels toward the opposite side of the visual field. Therefore, the refraction angle can be increased with the height of the light beam, and the light can reach the periphery of the visual field.

【0011】図19は、照明レンズとして単ファイバー
を用いた照明光学系のh−A特性図である。ここで横軸
は、最大値を1にするために、ライトガイドからの射出
光線高の最大値hmax で規格化した値である。図中太い
線で示した部分が、従来乱反射により失われていた部分
に対応している。
FIG. 19 is an hA characteristic diagram of an illumination optical system using a single fiber as an illumination lens. Here, the horizontal axis is a value normalized by the maximum value hmax of the height of the light beam emitted from the light guide in order to set the maximum value to 1. The portions indicated by thick lines in the figure correspond to the portions which have been lost due to the irregular reflection.

【0012】この図19からわかるように光線高の増大
とともに屈折角が増大を続けるため、非常に広い範囲に
照明光が届く。屈折角の最大値は、単ファイバーの開口
数で決まる角度である。ここで単ファイバーの開口数で
決まる角度とは単ファイバーのコア,クラッドの屈折率
を夫々n0,n1 、単ファイバーから物体までの空間の屈
折率をnとするとき、次の式で与えられる角度A0 のこ
とである。 [(n0 )2−(n1 )21/2=nsin A0 上記の光学系により広範囲の照明が可能になるが、配光
(光量分布)に関しては充分でない。この様子を示した
のが図21である。定量的な評価をするために、例とし
て次のデータを有する照明レンズを用いたものについて
説明する。r=1.272、n0 =1.8、n1 =1.
52、A0 =74.6° hmax =1.105 上記データ中rは照明レンズの凹面の曲率半径、n0 は
コアの屈折率、n1はクラッドの屈折率、A0 は光線高
が1の時(光線高は最大値を1として規格化している)
の屈折角である。尚照明レンズの射出面は平面である。
As can be seen from FIG. 19, the refraction angle continues to increase as the ray height increases, so that the illumination light reaches a very wide range. The maximum value of the refraction angle is an angle determined by the numerical aperture of a single fiber. Here, the angle determined by the numerical aperture of a single fiber is the angle given by the following equation, where n0 and n1 are the refractive indices of the core and cladding of the single fiber, and n is the refractive index of the space from the single fiber to the object. A0. [(N0) 2 - (n1 ) 2] 1/2 = nsin A0 above but allows a wide range illumination of the optical system, not sufficient with respect to the light distribution (light intensity distribution). FIG. 21 shows this state. For quantitative evaluation, an example using an illumination lens having the following data will be described. r = 1.272, n0 = 1.8, n1 = 1.
52, A0 = 74.6 ° hmax = 1.105 In the above data , r is the radius of curvature of the concave surface of the illumination lens, and n0 is
Refractive index of the core , n1 is the refractive index of the cladding, A0 is when the ray height is 1 (the ray height is normalized with the maximum value being 1)
Is the refraction angle. The exit surface of the illumination lens is a flat surface.

【0013】図20のカーブのうちS1 が上記のデータ
の照明レンズのものである。
In the curves of FIG. 20, S1 is for the illumination lens of the above data .

【0014】ライトガイドからの射出光の光線高の範囲
Δhに含まれる光線の密度は、どの光線高でも同一であ
るとみなせるので、dh/dAを計算すれば、ほぼその
方向に射出する光線の強度となる。図21はこれを示す
ものである。この図は、上のような光の強度を平面上の
強度に換算するためにdh/dAにcos3Aを掛け、これ
を屈折角0°の強度(軸方向の強度)を1として規格化
した値を縦軸に示し、射出角(屈折角)を横軸にとって
いる。
Since the densities of the light rays included in the range of the light height Δh of the light emitted from the light guide can be considered to be the same at any ray height, if dh / dA is calculated, the light rays emitted in that direction can be almost determined. Strength. FIG. 21 illustrates this. In this figure, dh / dA is multiplied by cos 3 A in order to convert the light intensity as described above into a planar intensity, and this is normalized with the intensity at a refraction angle of 0 ° (axial intensity) as 1. The vertical axis indicates the calculated value, and the horizontal axis indicates the exit angle (refraction angle).

【0015】この図の曲線bのように屈折角Aの増大と
共に急激に光の強度が減少し、視野周辺が中心に比較し
て著しく暗くなっている。
As shown by a curve b in this figure, the light intensity sharply decreases as the refraction angle A increases, and the periphery of the visual field becomes significantly darker than the center.

【0016】[0016]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、非常
に広い視野角にわたって配光特性が良好である内視鏡照
明光学系を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an endoscope illumination optical system having good light distribution characteristics over a very wide viewing angle.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明の内視鏡照明光学
系は、図1に示すような構成を基本構成とするもので、
ライトガイドまたは発光素子の射出端の物体側に照明レ
ンズを配置し、前記照明レンズが少なくとも1面が非球
面である単ファイバーよりなり、次の条件を満足するこ
とを特徴としている。0<h<1の範囲内で、 (1) d2A/dh2≦0である時は、A(h1) ≠A(h2) (2) d2A/dh2>0である時は、A(h1) =A(h2) ここで、hはライトガイドの軸に平行に射出する光線の
光線高を光線高の最大値で規格化した値でh1,h2は異な
る任意のhの値(h1 ≠h2) 、A(h)はライトガイドの軸に
平行な光線が光線高hの時の単ファイバーレンズ通過後
の光軸から測った屈折角である。
The endoscope illumination optical system of the present invention has a basic configuration as shown in FIG.
An illumination lens is arranged on the object side of the light guide or the emission end of the light emitting element, and the illumination lens is made of a single fiber having at least one aspheric surface, and satisfies the following conditions. Within the range of 0 <h <1, (1) When d 2 A / dh 2 ≦ 0, A (h1) ≠ A (h2) (2) When d 2 A / dh 2 > 0 , A (h1) = A (h2) Here, h is a value obtained by normalizing the ray height of a ray emitted in parallel to the axis of the light guide with the maximum ray height, and h1 and h2 are different arbitrary values of h. (h1 ≠ h2) and A (h) are the refraction angles measured from the optical axis after passing through the single fiber lens when the ray parallel to the axis of the light guide has the ray height h.

【0018】図2はh−A特性曲線のうちのいくつかの
パターンを示したものである。この図の各曲線のうち、
曲線aは、光線高と共に直線的に屈折角が増加するも
の、曲線bは光線高の大きい部分で屈折角の増加が減少
しつつ屈折角が増加するもの、曲線cは、ある光線高を
境に屈折角が減少するもの、曲線dは、曲線cと同様の
もので減少の傾向が更に顕著で光線高が最大値において
屈折角がゼロ(軸と平行)になるものである。上記曲線
a〜曲線dの各曲線は夫々次のように表わされる。 (曲線a) A=70°h (曲線b) A=70°sin (π/2h) (曲線c) A=70°sin (π/1.25h) (曲線d) A=70°sin (πh) 図3は図2にもとづいて図21と同じように配光強度を
算出したものである。
FIG. 2 shows several patterns of the hA characteristic curve. Of the curves in this figure,
Curve a shows a curve in which the refraction angle increases linearly with the ray height, curve b shows a curve in which the refraction angle increases while decreasing the refraction angle in a portion where the ray height is large, and curve c shows a curve at a certain ray height. The curve d is similar to the curve c, and the tendency of the decrease is more remarkable, and the refraction angle becomes zero (parallel to the axis) at the maximum ray height. Each of the curves a to d is represented as follows. (Curve a) A = 70 ° h (Curve b) A = 70 ° sin (π / 2h) (Curve c) A = 70 ° sin (π / 1.25h) (Curve d) A = 70 ° sin (πh) FIG. 3 shows the light distribution intensity calculated based on FIG. 2 in the same manner as in FIG.

【0019】図2における曲線c,曲線dのような特性
を持つ照明系は、一つの屈折角Aに対して二つの光線高
が対応する部分がある。これはライトガイドの二つの部
分から出た光が同じ視野角で物体を照射することを意味
している。そのため二重に光が照射される領域では照明
光量が増加し、これが大きな照明むらの原因となること
がある。
In the illumination system having characteristics such as curves c and d in FIG. 2, there is a portion where two ray heights correspond to one refraction angle A. This means that the light emitted from the two parts of the light guide illuminates the object at the same viewing angle. Therefore, the illumination light amount increases in the area where the light is irradiated twice, which may cause large uneven illumination.

【0020】例えば、図2の曲線cの特性を持つもので
は、屈折角40°まではhの小さい光つまりライトガイ
ドの中心部から出た光で照射されるが、屈折角が40°
以上の領域では、ライトガイドの中心部を除く輪帯状部
分からの射出光で二重に照射されることになる。そのた
めに40°付近を境にして急激に照明光量が増大し、図
3の曲線cに示す6’のような中間に山を持った強度分
布となる。
For example, in the case of the characteristic having the curve c in FIG. 2, up to a refraction angle of 40 °, light with a small h, that is, light emitted from the center of the light guide, is irradiated.
In the above-mentioned region, the light is double-irradiated with the light emitted from the orbicular portion except the central portion of the light guide. For this reason, the illumination light amount sharply increases around 40 °, resulting in an intensity distribution having an intermediate peak such as 6 ′ shown by a curve c in FIG.

【0021】このように図3の強度分布のうち曲線cは
局部的に明るい所が出来るので好ましくなく曲線a,
b,dのようになだらかに強度が減少するような特性を
持つものが望ましい。
As described above, the curve c in the intensity distribution of FIG.
It is desirable to have a characteristic such as b and d that the strength gradually decreases.

【0022】ところで、照明レンズの屈折面を非球面に
して所望の配光分布を得ようとする場合、図2の曲線d
のようなh−A特性を持たせようとすると、非球面形状
が非常に複雑な形となり、実際に製作することは困難で
ある。したがって実用性も考慮すると、図3において曲
線a,bのような強度分布は、光軸から離れるにつれて
曲率が徐々に緩くなり、かつ途中に変曲点を持たない非
球面により実現することができるので、非球面の製作が
容易であり実用的である。
In order to obtain a desired light distribution by making the refraction surface of the illumination lens aspherical, a curve d in FIG.
When the hA characteristic as described above is to be provided, the aspherical shape becomes a very complicated shape, and it is difficult to actually manufacture it. Therefore, in consideration of practicality, the intensity distribution as shown by the curves a and b in FIG. 3 can be realized by an aspheric surface whose curvature gradually decreases as the distance from the optical axis increases and has no inflection point in the middle. Therefore, the production of the aspherical surface is easy and practical.

【0023】曲線a,b,c,dのような特性は、0<
h<1の範囲内でd2A/dh2≦0を満足するものである。
又曲線a,bは更に0<h<1の範囲内で極値を持たな
いと云う条件が加わったものである。
Characteristics such as curves a, b, c and d are 0 <
Within the range of h <1, d 2 A / dh 2 ≦ 0 is satisfied.
The curves a and b further have the condition that they have no extreme value in the range of 0 <h <1.

【0024】上記の条件は、hの異なる任意の値をh1,
h2(つまりh1≠h2)とするときにA(h1) ≠A(h2) なる関
係が成立することを意味するので、結局、曲線a,bで
示されるような特性を持たせるためには、次の条件を満
足すればよいことになる。即ち、0<h<1の範囲内に
おいて, d2A/dh2 ≦0、およびh1≠h2の時にA(h1) ≠A(h2) 以上のように上記条件を満足させることによって配光む
らのない良好な照明光学系を得ることが出来る。
The above condition is that any value of h different from h1,
When h2 (that is, h1 ≠ h2), it means that the relationship of A (h1) ≠ A (h2) is satisfied. Therefore, in order to have the characteristics shown by the curves a and b, The following condition should be satisfied. That is, 0 <Within h <1, the light distribution unevenness by satisfying the above conditions as in A (h1) ≠ A (h2 ) than when d 2 A / dh 2 ≦ 0 , and h1 ≠ h2 It is possible to obtain a good illumination optical system without any problem.

【0025】次に光線高の増大と共に屈折角が増加を続
ける(少なくとも減少傾向をもたない)タイプの照明光
学系について述べる。
Next, a description will be given of an illumination optical system of the type in which the refraction angle continues to increase (at least does not have a decreasing tendency) with an increase in the light beam height.

【0026】このようなタイプの照明光学系は、h−A
特性曲線が途中変曲点を持つようにすると、局部的に明
るいところが出来にくく配光むらが生じにくくなる。そ
のためh−A特性曲線が変曲点を持つような設定をする
ことが望ましい。
An illumination optical system of this type has an hA
If the characteristic curve has an inflection point on the way, it is difficult to form a locally bright portion, and it is difficult to cause uneven light distribution. Therefore, it is desirable to set such that the hA characteristic curve has an inflection point.

【0027】上記のように変曲点を持つような設定を行
なった場合、変曲点を除いた領域でd2A/dh2 >0が成立
する、と云う条件を満足することを前提として検討す
る。上記の条件を満足する場合、光線高が高くなるにつ
れて屈折角が大になり、視野周辺における照明光の密度
が低くなるので、普通に光束を広げるだけでは視野周辺
が暗くなる。
When setting is made so as to have an inflection point as described above, it is assumed that d 2 A / dh 2 > 0 is satisfied in a region excluding the inflection point. consider. When the above condition is satisfied, the angle of refraction increases as the ray height increases, and the density of illumination light around the field of view decreases. Therefore, simply expanding the light beam usually darkens the area around the field of view.

【0028】したがって上記の場合には、図4に示すよ
うなh−A特性を持たせることが望ましい。この特性曲
線は、光線高の増加と共に屈折角が再度増加するような
特性である。この特性を実現するための構成の典型的な
ものは、図5に示すように、屈折面が段のついた二つの
球面からなるレンズである。
Therefore, in the above case, it is desirable to have the hA characteristic as shown in FIG. This characteristic curve is such a characteristic that the refraction angle increases again with an increase in the ray height. A typical configuration for realizing this characteristic is a lens having a stepped two spherical surface as shown in FIG.

【0029】ある程度定量的に説明するために、次のよ
うなデータを有するレンズを例として用いる。 R1 =1.272、R2 =0.855、h1 =0.74
1、 h2 =1.105、n0 =1.8、n1 =1.52、A
0 =74.6° ここでR1 は照明レンズの屈折面の中心部の球面の曲率
半径、R2 は中心部の外側の球面の曲率半径、h1 は中
心部の球面の半径、h2 は外側の球面の外周の半径であ
る。又n0 ,n1 ,A0 は前述の通り夫々コアの屈折
率,クラッドの屈折率,光線高が1の時の屈折角であ
る。
In order to explain to some extent quantitatively, a lens having the following data is used as an example. R1 = 1.272, R2 = 0.855, h1 = 0.74
1, h2 = 1.105, n0 = 1.8, n1 = 1.52, A
0 = 74.6 ° where R1 is the radius of curvature of the sphere at the center of the refractive surface of the illumination lens, R2 is the radius of curvature of the sphere outside the center, h1 is the radius of the sphere at the center, and h2 is the outer sphere. Is the radius of the outer circumference. Also, n0, n1, and A0 are the refractive index of the core , the refractive index of the clad, and the refraction angle when the ray height is 1, respectively, as described above.

【0030】この照明レンズを用いた照明光学系の配光
特性を図3と同様に図示すると図6のようになる。この
図においてS2 は照明レンズの中心部の球面による球面
上物体上における配光特性、S1 は照明レンズの周辺部
の球面による球面上物体上の強度分布を示したものであ
る。
FIG. 6 shows the light distribution characteristics of an illumination optical system using this illumination lens, similarly to FIG. In this figure, S2 shows the light distribution characteristics on a spherical object at the center of the illumination lens, and S1 shows the intensity distribution on the spherical object at the periphery of the illumination lens.

【0031】この図からわかるように途中にわずかな盛
上がりをもつが、全体として光線高の増加と共になだら
かに減少する傾向をもった配光特性となり、配光の均一
性が良いことを示している。これは曲線S2 だけでは不
足する視野周辺での光量を、曲線S1 で補うことによっ
て実現し得たものである。
As can be seen from this figure, although there is a slight bulge in the middle, the light distribution characteristic has a tendency to gradually decrease as the ray height increases as a whole, indicating that the uniformity of the light distribution is good. . This can be realized by supplementing the light amount around the visual field, which is insufficient with the curve S2 alone, with the curve S1.

【0032】即ち、0<h<1の範囲内において、h−
A特性曲線が変曲点を持ち、かつd2A/dh2 >0を満足す
ることによって、配光特性の良好な照明系を得ることが
出来る。
That is, within the range of 0 <h <1, h-
When the A characteristic curve has an inflection point and satisfies d 2 A / dh 2 > 0, an illumination system with good light distribution characteristics can be obtained.

【0033】h−A特性曲線が変曲点を持つことは、任
意の二つのhの値h1,h2(h1 ≠h2) のときにA(h1) =A
(h2) なる関係が成立つことと同じであるので上記の条
件は次のようになる。
The fact that the hA characteristic curve has an inflection point means that A (h1) = A when any two values of h are h1, h2 (h1 ≠ h2).
(h2) Since the relationship is the same, the above condition is as follows.

【0034】0<h<1の範囲内において、d2A/dh2
0、および、h1≠h2のときにA(h1) =A(h2) なる関係が
成立つ、と言い換える事が出来る。結局、以上のこと
は、0<h<1の範囲内において、d2A/dh2 >0および
任意の異なるhの値であるh1,h2(h1≠h2) に対してA
(h1)=A(h2)と云う関係が成立つ部分を含むこと即ち前
掲の条件(2)を満足することが良好な照明系を得るた
めの条件となる。
Within the range of 0 <h <1, d 2 A / dh 2 >
In other words, when 0 and h1 ≠ h2, the relationship of A (h1) = A (h2) holds. In the end, the above is true for d 2 A / dh 2 > 0 and any different values of h, h1, h2 (h1 ≠ h2), within the range of 0 <h <1.
A condition for obtaining a favorable illumination system is to include a portion where the relationship of (h1) = A (h2) is satisfied, that is, to satisfy the above condition (2).

【0035】以上本発明の照明光学系について比較的定
性的に説明したが、上記のような配光特性を得るには、
照明レンズの屈折面に非球面を用いることによって実現
出来る。
Although the illumination optical system of the present invention has been described relatively qualitatively, in order to obtain the above light distribution characteristics,
This can be realized by using an aspherical surface as the refraction surface of the illumination lens.

【0036】これまでの説明から明らかなように本発明
の特徴は、照明レンズとして単ファイバーを有するもの
で、その1面を非球面とし、この非球面を用いて前記条
件(1),(2)を満足する部分を含む配光特性を持つ
ようにしたものである。
As is apparent from the above description, the feature of the present invention is that an illumination lens has a single fiber, one surface of which is an aspheric surface, and the conditions (1) and (2) are obtained by using this aspheric surface. ) Has a light distribution characteristic including a portion satisfying (3).

【0037】以上は単ファイバーに非球面を形成した照
明レンズを用いて画角120°〜150°のレベルの観
察系と組合わせて多大な効果の得られる照明光学系につ
いて説明した。しかし画角120°〜150°レベルの
観察光学系でなくてももちろん良い。また単ファイバー
のNA(NA(S) にて示す)に関しても、NA(S)が大
きければ大きいほどコアとクラッドで全反射出来るAの
角度が大きくなり、より広画角の観察系に対応できる。
The above description has been given of an illumination optical system which can provide a great effect by using an illumination lens in which an aspheric surface is formed on a single fiber in combination with an observation system having a field angle of 120 ° to 150 °. However, an observation optical system having an angle of view of 120 ° to 150 ° is not necessarily required. Regarding the NA of a single fiber (indicated by NA (S)), the larger the NA (S), the larger the angle of A that can be totally reflected by the core and the cladding, and can be used for an observation system with a wider angle of view. .

【0038】これまでの説明では、ライトガイドからの
光の入射角を0°として代表させて解析したものについ
て述べたが、ライトガイドのNA(NA(L) にて示す)
の範囲で図6に示すような配光特性をもつので、次の条
件(3)を満足するようにすれば、観察系に対して配光
特性の劣化は生じない。 (3)|NA(S) −sin|ω| |<NA(L) /2 ただしωは観察光学系の半画角である。
In the description so far, the case where the incident angle of light from the light guide is analyzed as representative of 0 ° has been described, but the NA of the light guide (indicated by NA (L)) has been described.
Since the light distribution characteristic as shown in FIG. 6 is obtained in the range of (3), if the following condition (3) is satisfied, the light distribution characteristic does not deteriorate for the observation system. (3) | NA (S) −sin | ω || <NA (L) / 2 where ω is a half angle of view of the observation optical system.

【0039】条件(3)の範囲を越えると、光線がコア
とクラッドの境界で全反射せず、光量のロスが多すぎて
好ましくない。
When the value exceeds the range of the condition (3), the light beam is not totally reflected at the boundary between the core and the clad, and the loss of light amount is too large, which is not preferable.

【0040】また配光面でも、観察光学系の画角2ω用
の照明レンズとしては、配光不足になる。
Also, the light distribution surface is insufficient for the illumination lens for the field angle 2ω of the observation optical system.

【0041】尚単ファイバーのコアとクラッドの状態に
よっては、成形を行なうのが困難な場合がある。例えば
単ファイバーの成形は、一度ガラスの温度を転移点以上
まで高温にしてからプレスするため、コアとクラッドと
の転移点が近いと、コアとクラッドの境界が変形し、配
光むらの原因となる。そのため、クラッドの形状をなる
べく変形しないようにするには、コアの転移点をT(C
O)、クラッドの転移点をT(CL)とすると、下記の関係を
満足すればクラッドの変形がなく好ましい。 T(CO)<T(CL) 次に本発明で用いられる照明レンズの形状について述べ
る。ここでは考え易くするために平凹レンズについて述
べる。その場合パワーを持つすなわちh−A曲線に影響
するのは凹面のみである。
Depending on the state of the core and the cladding of the single fiber, molding may be difficult. For example the molding of a single fiber, for pressing from a high temperature until once the temperature of the glass above the transition point, the transition point between the core and the cladding is near the boundary of the core and the clad is deformed, causing the light distribution unevenness Become. Therefore, in order to minimize the deformation of the clad shape, the transition point of the core should be T (C
O), assuming that the transition point of the clad is T (CL), it is preferable that the following relationship is satisfied, since the clad is not deformed. T (CO) <T (CL) Next, the shape of the illumination lens used in the present invention will be described. Here, a plano-concave lens will be described for easy thinking. In that case, only the concave surface has power, that is, affects the hA curve.

【0042】条件(1)を満たす場合は、図2の曲線
a,bのような強度分布を持たせる必要がある。このよ
うな分布を非球面1面で達成するためには、光軸から離
れるにつれて曲率を徐々に緩くしかつ変曲点を持たない
ようにする。
When the condition (1) is satisfied, it is necessary to have an intensity distribution as shown by curves a and b in FIG. In order to achieve such a distribution on one aspherical surface, the curvature is gradually reduced as the distance from the optical axis is increased, and no inflection point is provided.

【0043】図7は、上記の内容を示す図であり、近軸
球面に対する非球面のずれ量Δxを、非球面の各部分で
の光軸とのなす角θが単調に減少していく範囲内で単調
に増加するものである。
FIG. 7 is a diagram showing the above-mentioned contents, and shows the deviation amount Δx of the aspherical surface with respect to the paraxial spherical surface in the range in which the angle θ between each part of the aspherical surface and the optical axis monotonically decreases. It increases monotonically within.

【0044】又条件(2)を満足するものは、図5のよ
うに、R1 >R2 とし、R1 で周辺配光を向上させ得る
ような形状であることが必要である。また次の条件を満
足する必要がある。 (4)0.4≦h2/h1 ≦0.8 上記の条件(4)の上限を越えると、R1 による周辺配
光の寄与が小さくなりすぎて、R2 のみによる配光特性
と同じになってしまう。上記条件の下限を越えると図6
でのS1 が低い画角から影響しはじめるために、配光む
らが生じやすい。
In order to satisfy the condition (2), as shown in FIG. 5, it is necessary that R1> R2 and that R1 has a shape capable of improving the peripheral light distribution. The following conditions must be satisfied. (4) 0.4 ≦ h2 / h1 ≦ 0.8 If the upper limit of the above condition (4) is exceeded, the contribution of the peripheral light distribution by R1 becomes too small, and becomes the same as the light distribution characteristic by only R2. I will. When the lower limit of the above condition is exceeded, FIG.
The light distribution unevenness is likely to occur because S1 at the point of view starts to affect from a low angle of view.

【0045】上記条件(4)を満足する範囲内であれ
ば、最終的に平面で評価した場合に、cos 3 が掛か
っているため、配光むらは許容できるレベルである。
Within the range that satisfies the above condition (4), cos 3 A is applied when finally evaluated on a plane, so that light distribution unevenness is at an acceptable level.

【0046】[0046]

【実施例】次に本発明の照明光学系の実施例を示す。Next, an embodiment of the illumination optical system according to the present invention will be described.

【0047】実施例1の照明レンズは、図8に示す通り
で、このレンズは、ライトガイドの側の面が負のパワー
をもつ非球面を有する。
As shown in FIG. 8, the illumination lens of the first embodiment has an aspherical surface having a negative power on the side of the light guide .

【0048】この非球面は、次の式で表わされる。 This aspheric surface is represented by the following equation.

【0049】ここでx,yは光軸をx軸にとってライト
ガイドの方向を正方向にとり、y軸を面と光軸との交点
を原点としてx軸に直交した方向にとった座標の値、C
は光軸近傍でこの非球面と接する球面の曲率半径の逆
数、Pは非球面の形状をあらわすパラメータ、B,E,
F,G,…は夫々2次,4次,6次,8次,…の非球面
係数である。P=1でB,E,F,G,…がすべて0の
場合は上記式は球面を表わす。
Here, x and y are coordinate values obtained by taking the direction of the light guide in the positive direction with respect to the optical axis as the x axis, and taking the y axis in the direction orthogonal to the x axis with the intersection point between the plane and the optical axis as the origin. C
Is the reciprocal of the radius of curvature of the spherical surface in contact with the aspherical surface near the optical axis, P is a parameter representing the shape of the aspherical surface, B, E,
F, G,... Are second-order, fourth-order, sixth-order, eighth-order,. When P = 1 and B, E, F, G,... Are all 0, the above equation represents a spherical surface.

【0050】この実施例1のレンズデータは下記の通り
である。R=0.61,P=0.1,E=−0.13こ
の実施例1のh−A特性を示すと図13の通りである。
The lens data of the first embodiment is as follows. R = 0.61, P = 0.1, E = −0.13 FIG. 13 shows the hA characteristics of the first embodiment.

【0051】この実施例1は、従来例に比べて、配光特
性を改善するためにd2A/dh2 ≧0とし、かつ0<h<1
の範囲での配光むらを防ぐためにh1≠h2のときにA(h1)
≠A(h2)となるようにした。
In the first embodiment, d 2 A / dh 2 ≧ 0 and 0 <h <1 in order to improve the light distribution characteristics as compared with the conventional example.
A (h1) when h1 ≠ h2 to prevent uneven light distribution in the range
≠ A (h2).

【0052】そのため非球面形状は、変曲点がなく中心
の曲率が周辺へ行くにつれて緩くなって行くものであ
る。
Therefore, the aspherical shape has no inflection point and the curvature at the center becomes gentler toward the periphery.

【0053】この実施例は、照明レンズとして単ファイ
バーを用いたものであるが、このレンズをクラッドの代
りに屈折率1.4〜1.6の接着剤を用いて枠に接合す
るようにすれば単ファイバーの代りに非球面レンズとし
てもよい。
In this embodiment, a single fiber is used as the illumination lens, but this lens is bonded to the frame using an adhesive having a refractive index of 1.4 to 1.6 instead of the clad. For example, an aspheric lens may be used instead of a single fiber.

【0054】またライトガイドの中心に図9に示すよう
にくさびを打込むことによりAの小さい中心へ向かう光
線を減らして、周辺への配光を相対的に高めることもで
きる。
By wedges as shown in FIG. 9 at the center of the light guide, the number of light rays directed toward the center having a small A can be reduced, and the light distribution to the periphery can be relatively increased.

【0055】また図10に示すように単ファイバーの部
分と非球面の部分を分離しても同様の効果は得られる。
又非球面をもつレンズをプレスで作る場合、単ファイバ
ーの状態では作りづらいため、分離して作ることは有効
である。
The same effect can be obtained by separating the single fiber portion and the aspherical portion as shown in FIG.
When a lens having an aspherical surface is made by a press, it is difficult to make it in the state of a single fiber, so that it is effective to make it separately.

【0056】実施例2は、図11に示す構成の照明レン
ズを有するものである。この実施例では非球面を凸面に
用いているが、コアとクラッドの屈折率は、実施例1と
同じである。又h−A特性は、図13に示す実施例1と
同様の特性で、配光むらのない配光特性の良い照明系が
得られる。
Embodiment 2 has an illumination lens having the configuration shown in FIG. In this embodiment, an aspheric surface is used for the convex surface, but the refractive indices of the core and the clad are the same as those of the first embodiment. The hA characteristics are the same as those of the first embodiment shown in FIG. 13, and an illumination system having good light distribution characteristics without uneven light distribution can be obtained.

【0057】この実施例2もクラッドを接着剤に代えた
り、ライトガイドにくさびを入れて配光をあげたり、単
ファイバーと非球面部を分離することは可能である。
In the second embodiment as well, it is possible to replace the clad with an adhesive, increase the light distribution by inserting a wedge into the light guide, and separate the single fiber and the aspherical portion.

【0058】この実施例の非球面のデータは、下記の通
りである。 R=−0.55,P=0.1,E=0.2 実施例3は、図12に示すもので、この図12のh
(a)(=0.74)までは球面、h(a) からh(b)
(=1.105)までは、下記データの非球面である。 R=0.61,P=0.105,E=−0.0915 又コアの屈折率は、約1.8、クラッドの屈折率は約
1.52である。
The data of the aspherical surface of this embodiment is as follows. R = −0.55, P = 0.1, E = 0.2 The third embodiment is shown in FIG.
(A) up to (= 0.74) spherical surface, h (a) to h (b)
Until (= 1.105), it is an aspheric surface of the following data . R = 0.61, P = 0.105, E = -0.0915 The refractive index of the core is about 1.8, and the refractive index of the cladding is about 1.52.

【0059】実施例3のh−A特性は図14に示す通り
で、S(a) はh(a) までの特性であり、S(b) はh(b)
までの特性である。S(a) の部分がd2A/dh2 >0となっ
ているので、特に広角側での配光をS(b) で強めること
が出来る。
The hA characteristic of the third embodiment is as shown in FIG. 14, where S (a) is a characteristic up to h (a) and S (b) is h (b).
The characteristics up to. Since the portion of S (a) satisfies d 2 A / dh 2 > 0, the light distribution particularly on the wide-angle side can be enhanced by S (b).

【0060】この配光の計算結果を図15に示す。図1
5でS(a) は図14のS(a) の部分の球面配光特性であ
り、これに図14のS(b) の部分の球面配光特性である
図15のS(b) が加わっている。又Sはトータルの球面
配光特性にcos3Aをかけて平面上の配光特性にしたもの
である。
FIG. 15 shows the calculation result of the light distribution. FIG.
In FIG. 5, S (a) is the spherical light distribution characteristic of the portion of S (a) in FIG. 14, and S (b) of FIG. 15 which is the spherical light distribution characteristic of the portion of S (b) in FIG. Have joined. S is a light distribution characteristic on a plane obtained by multiplying the total spherical light distribution characteristic by cos 3 A.

【0061】[0061]

【発明の効果】本発明の内視鏡照明光学系は、超広角の
内視鏡に用いるもので、しかも視野周辺まで明るく、光
量のロスの少ないかつ照明むらのない照明が可能であ
る。
The endoscope illumination optical system according to the present invention is used for an ultra-wide-angle endoscope, and can provide an illumination that is bright up to the periphery of the visual field, has a small loss of light amount, and has no illumination unevenness.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の基本構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of the present invention.

【図2】光線高と屈折角との関係(h−A特性)の各種
のパターンを示した図。
FIG. 2 is a diagram showing various patterns of a relationship (h-A characteristic) between a ray height and a refraction angle.

【図3】上記パターンの光学系の配光特性を示す図。FIG. 3 is a diagram showing light distribution characteristics of an optical system having the above-mentioned pattern.

【図4】他のh−A特性を示す図。FIG. 4 is a diagram showing another hA characteristic.

【図5】上記特性曲線を持たせるレンズの一例を示す
図。
FIG. 5 is a view showing an example of a lens having the characteristic curve.

【図6】上記レンズにおける配光特性を示す図。FIG. 6 is a diagram showing light distribution characteristics of the lens.

【図7】非球面の近軸球面からのずれを示す図。FIG. 7 is a diagram showing a deviation of an aspheric surface from a paraxial spherical surface.

【図8】実施例1の断面図。FIG. 8 is a sectional view of the first embodiment.

【図9】上記実施例のライトガイドの中心にくさびを設
けたものの断面図。
FIG. 9 is a cross-sectional view of the light guide of the above embodiment with a wedge provided at the center.

【図10】上記実施例のレンズを単ファイバーと非球面
レンズを組合わせて構成した例の断面図。
FIG. 10 is a cross-sectional view of an example in which the lens of the above embodiment is configured by combining a single fiber and an aspheric lens.

【図11】実施例2の断面図。FIG. 11 is a sectional view of the second embodiment.

【図12】実施例3の断面図。FIG. 12 is a sectional view of a third embodiment.

【図13】実施例1,2のh−A特性を示す図。FIG. 13 is a diagram showing hA characteristics of Examples 1 and 2.

【図14】実施例3のh−A特性を示す図。FIG. 14 is a graph showing hA characteristics of Example 3.

【図15】実施例3の配光特性を示す図。FIG. 15 is a diagram showing light distribution characteristics of the third embodiment.

【図16】従来の内視鏡照明光学系の断面図。FIG. 16 is a cross-sectional view of a conventional endoscope illumination optical system.

【図17】上記光学系の配光特性を示す図。FIG. 17 is a diagram showing light distribution characteristics of the optical system.

【図18】他の従来例の断面図。FIG. 18 is a sectional view of another conventional example.

【図19】上記従来例のh−A特性を示す図。FIG. 19 is a diagram showing hA characteristics of the conventional example .

【図20】他の従来例のh−A特性を示す図。 FIG. 20 is a diagram showing hA characteristics of another conventional example .

【図21】上記従来例の配光特性を示す図。 FIG. 21 is a diagram showing light distribution characteristics of the conventional example .

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02B 23/26 A61B 1/00 300 G02B 13/18 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G02B 23/26 A61B 1/00 300 G02B 13/18

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ライトガイドまたは発光素子の射出端の物
体側に照明レンズを配置した内視鏡照明光学系におい
て、前記照明レンズが少なくとも1面を非球面にした単
ファイバーよりなると共に次の条件を満足する内視鏡照
明光学系。0<h<1の範囲内で、 (1) d2A/dh2≦0である時には、h1≠h2のときA(h
1) ≠A(h2) (2) d2A/dh2>0である時には、h1≠h2のときA(h
1) =A(h2) である部分を含む。ただし、hはライトガイドの軸に平
行に射出する光線の光線高を光線高の最大値で規格化し
た値、A(h)はライトガイドの軸に平行な光線が光線高h
のときに非球面単ファイバーレンズ通過後の光軸から測
った屈折角である。
1. An endoscope illumination optical system in which an illumination lens is arranged on an object side of an exit end of a light guide or a light emitting element, wherein the illumination lens is made of a single fiber having at least one aspheric surface, and Endoscope illumination optical system that satisfies the requirements. 0 <h <within 1 range, (1) when a d 2 A / dh 2 ≦ 0 when the h1 ≠ h2 A (h
1) ≠ A (h2) (2) When d 2 A / dh 2 > 0, A (h
1) Includes a portion where = A (h2). Here, h is a value obtained by standardizing the ray height of the light beam emitted parallel to the light guide axis by the maximum ray height, and A (h) is a ray height h that is parallel to the light guide axis.
Is the refraction angle measured from the optical axis after passing through the aspherical single fiber lens.
【請求項2】ライトガイドまたは発光素子の出射端の物
体側に照明レンズを配置した内視鏡照明光学系におい
て、前記照明レンズは前記ライトガイドの出射端側に配
置された非球面を有するレンズと、該レンズよりも物体
側に配置された単ファイバーとからなると共に次の条件
を満足する内視鏡照明光学系。0<h<1の範囲内で、 (1) d2A/dh2≦0である時には、h1≠h2のときA(h
1) ≠A(h2) (2) d2A/dh2>0である時には、h1≠h2のときA(h
1) =A(h2) である部分を含む。ただし、hはライトガイドの軸に平
行に射出する光線の光線高を光線高の最大値で規格化し
た値、A(h)はライトガイドの軸に平行な光線が光線高h
のときに非球面単ファイバーレンズ通過後の光軸から測
った屈折角である。
2. An endoscope illumination optical system in which an illumination lens is arranged on an object side of an emission end of a light guide or a light emitting element, wherein the illumination lens has an aspherical surface arranged on an emission end side of the light guide. And a single fiber disposed on the object side of the lens and satisfying the following condition. 0 <h <within 1 range, (1) when a d 2 A / dh 2 ≦ 0 when the h1 ≠ h2 A (h
1) ≠ A (h2) (2) When d 2 A / dh 2 > 0, A (h
1) Includes a portion where = A (h2). Here, h is a value obtained by standardizing the ray height of the light beam emitted parallel to the light guide axis by the maximum ray height, and A (h) is a ray height h that is parallel to the light guide axis.
Is the refraction angle measured from the optical axis after passing through the aspherical single fiber lens.
【請求項3】前記単ファイバーのクラッドは接着剤であ
ることを特徴とする請求項1、2の内視鏡照明光学系。
3. The endoscope illumination optical system according to claim 1, wherein the cladding of the single fiber is an adhesive.
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